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CN1697282A - 电源装置以及该电源装置中所使用的控制方法 - Google Patents

电源装置以及该电源装置中所使用的控制方法 Download PDF

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CN1697282A CNA2005100728698A CN200510072869A CN1697282A CN 1697282 A CN1697282 A CN 1697282A CN A2005100728698 A CNA2005100728698 A CN A2005100728698A CN 200510072869 A CN200510072869 A CN 200510072869A CN 1697282 A CN1697282 A CN 1697282A
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Abstract

一种电源装置。通过太阳能电池模块(1)所发的电对电双层电容器(5)进行充电，通过该充电电压驱动升压型DC－DC变换器(6)。充电起动/停止控制电路(7)，检测出电双层电容器(5)的电压，在该电压为阈值电压VH以上时，保持充电控制信号(端子Q的输出信号)为有效模式(高电平)，进行充电开始动作，此后，当该电双层电容器(5)的电压为阈值电压VL时，保持该充电控制信号为无效模式，进行充电停止动作，二次电池充电控制电路(8)，在该充电控制信号为有效模式时，根据该电双层电容器(5)中所储存的电对该二次电池组(9)进行充电。

Description

电源装置以及该电源装置中所使用的控制方法
技术领域
本发明涉及一种电源装置以及该电源装置中所使用的控制方法，将太阳能电池所产生的电力暂存在电双层电容器中，具有依据该所储存的电力进行充电的二次电池，适于使用在例如电力基础设施(infrastructure)不完备的场所等中的电源装置以及该电源装置所使用的控制方法。
背景技术
具有通过依据太阳能发电的太阳能电池进行充电的二次电池的电源装置，在电力基础设施不完备的场所及地区中作为电子机器等的电源进行使用，但存在由于日照强度以及周围温度等环境的变化，而使得该太阳能电池所发的电不稳定这一问题。因此，有人提出了改善了该问题的电源装置的方案。
以前，作为这种技术，有例如下面的文献中所述的装置。
专利文献1中所述的电源装置中，与太阳能电池和电双层电容并联、产生用来决定该太阳能电池的动作点的基准电压的二极管阵列，通过与该太阳能电池紧密接合而被热结合，使得基准电压值与太阳能电池的温度特性相一致。这样，太阳能电池的动作点成为能够得到最大效率的最佳动作点，一边对该太阳能电池的温度变化所产生的最佳动作点的变化，逐次修正动作点，一边通过开关机构以及恒流DC(直流)/DC变换器进行电池的充电。
专利文献1：特开2002-238182号公报(第1页，图1)。
但是，上述以前的电源装置中，存在以下问题。
例如，在太阳能电池设置在远离电源装置的场所中的情况下，由于产生基准电压的电路与电源装置分离，因此，该产生基准电压的电路与该电源装置之间的电气布线变长，存在发生噪声混入，以及布线阻抗所产生的电压下降等，使得基准电压的精度恶化，太阳能电池的动作点不是最佳值这样的问题。另外，在将太阳能电池与电源装置一体化，将电池设置在室外的情况下，例如，在盛夏无风的状态等高温环境下，由于超过该电池的使用温度范围的上限，因此，存在该电池变为发热或破裂等危险状态的问题。另外，低温环境下的恒流充电值，可以预想到电池的内部阻抗的增加所导致的充电效率的降低。另外，即使在只将电池设置在室内，且环境温度非常适宜的情况下，由于连接电池与电源装置的布线阻抗的增加，也可以预想到恒流充电中的充电效率的降低。
另外，在早晚或阴天等时，由于处于日照强度较弱的状态而使得太阳能电池所发的电能较小时，由于电双层电容器的泄漏电流以及电源装置的内部电路的静止状态下的消耗功率，充电电压需要较长的时间才能够上升到最佳动作点，由于开关机构变为导通状态之前的周期变长，因此存在充电效率降低这一问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在太阳能电池所产生的电能随日照强度或周围温度变化而变动的状况下，可保持对二次电池稳定地充电的装置。
为解决上述问题，本发明方案一，涉及一种具有太阳能电池，与存储由该太阳能电池的发电所充电的电力的电力存储部，以及由该电力存储部中所储存的电力进行充电的二次电池的电源装置，其特征在于，设有：电压检测部，其检测出上述电力存储部的电压，当该电压变为高电平阈值电压以上时，保持用来给上述二次电池充电的充电控制信号为有效模式，进行充电开始动作，之后，当上述电力存储部的电压变为低电平阈值电压时，保持上述充电控制信号为无效模式，进行充电停止动作；以及充电控制部，其在上述充电控制信号为有效模式时，依据上述电力存储部中所储存的电力对上述二次电池进行充电。
本发明方案二，涉及方案一所述的电源装置，其特征在于，上述电压检测部具有：将上述电力存储部的电压与上述高电平阈值电压进行比较，输出第1比较结果的第1比较电路；以及将上述电力存储部的电压与上述低电平阈值电压进行比较，输出第2比较结果的第2比较电路；以及根据上述第1比较结果或上述第2比较结果，将上述充电控制信号保持为上述有效模式或无效模式的保持电路。
本发明方式三，涉及方式一所述的电源装置，其特征在于，上述充电控制部具有：开关机构，其在上述充电控制信号为上述有效模式时，变为导通状态，根据上述电力存储部中所储存的电力对上述二次电池进行充电；以及恒流充电控制机构，其在上述二次电池的电压比给定的阈值小时，以给定的恒流对上述二次电池进行充电；以及恒压充电控制机构，在上述二次电池的电压变为上述给定的阈值以上时，以给定的恒压对上述二次电池进行充电。
本发明方式四，涉及方式一所述的电源装置，其特征在于，上述电力存储部由电双层电容器构成，该电双层电容器被设定为，其内部阻抗比上述太阳能电池的内部阻抗低。
本发明方式五，涉及本发明方式一所述的电源装置，其特征在于，附加有：辅助电力存储部；以及辅助电压检测部，其进行检测，在上述充电控制信号为上述有效模式时，通过上述太阳能电池的发电对上述辅助电力存储部进行充电，在该辅助电压存储部的电压变得比上述高电平阈值电压高时，代替上述电力存储部的电压，向上述电压检测部供给上述辅助电压存储部的电压。
本发明方式六，涉及本发明方式五所述的电源装置，其特征在于，上述电力存储部由电双层电容器构成，该电双层电容器被设定为，其内部阻抗比上述太阳能电池的内部阻抗低。
本发明方式七，涉及一种控制方法，其用于具有太阳能电池，与存储由该太阳能电池的发电所充电的电力的电力存储部，以及由该电力存储部中所储存的电力进行充电的二次电池的电源装置，其特征在于：检测出上述电力存储部的电压，当该电压变为高电平阈值电压以上时，保持用来给上述二次电池充电的充电控制信号为有效模式，进行充电开始动作，之后，当上述电力存储部的电压变为低电平阈值电压时，保持上述充电控制信号为无效模式，进行充电停止动作；在上述充电控制信号为有效模式时，根据上述电力存储部中所储存的电力对上述二次电池进行充电。
(发明效果)
根据本发明的构成，电压检测部，检测出电压存储部的电压，当该电压变为高电平阈值电压以上时，保持用来给上述二次电池充电的充电控制信号为有效模式，进行充电开始动作，之后，当上述电力存储部的电压变为低电平阈值电压时，保持上述充电控制信号为无效模式，进行充电停止动作；充电控制部，在上述充电控制信号为有效模式时，根据上述电力存储部中所储存的电力对上述二次电池进行充电，因此，即使在日照强度的变化或周围温度的变化使得太阳能电池所产生的电变动的情况下，也能够让该二次电池稳定进行充电。另外，由于电压检测部的第1以及第2比较电路不需要接近太阳能电池，因此，不会受到该太阳能电池的周围温度的影响，能够通过产生高精度的高电平阈值电压以及低电平阈值电压，来高精度地检测出电压。另外，当二次电池的电压小于给定的阈值时，恒流充电控制机构通过给定的恒流对该二次电池进行充电，当该二次电池的电压达到该给定的阈值以上时，恒压充电控制机构以给定的恒压对该二次电池进行充电，因此，能够不受该二次电池以及线路的阻抗的影响，高效地对该二次电池进行充电。另外，进行检测，在上述充电控制信号为上述有效模式时，通过上述太阳能电池的发电对上述辅助电力存储部进行充电，在该辅助电压存储部的电压变得比上述高电平阈值电压高时，代替上述电力存储部的电压，向上述电压检测部供给上述辅助电压存储部的电压，因此，能够更加高效地对二次电池进行充电。
附图说明
图1为表示本发明的实施方式1的电源装置的电气构成的电路图。
图2为表示太阳能电池的对应于日照强度的输出特性的图。
图3为表示太阳能电池的对应于日照强度的输出阻抗特性的图。
图4为表示太阳能电池的温度特性的图。
图5为表示固定设置的太阳能电池中的1天的发电量的推移的图。
图6为表示充电起动/停止控制电路7的动作的图。
图7为表示NOR型RS-FF电路732的真值的图。
图8为表示图1的电源装置中的锂离子二次电池92的充电时的动作的时序图。
图9为表示锂离子二次电池92的充电特性的图。
图10为表示电双层电容器5的充电特性的图。
图11为表示本发明的实施方式2的电源装置的电气构成的电路图。
图12为表示本发明的实施方式3的电源装置的电气构成的电路图。
图13为表示图12的电源装置中的锂离子二次电池92的充电时的动作的时序图。
图中：1-太阳能电池模块(太阳能电池)，2-第1防倒流元件(电源装置的一部分)，3-电流限制元件(电源装置的一部分)，4-过压保护元件(电源装置的一部分)，5-电双层电容器(电力存储部)，6-升压型DC-DC变换器(电源装置的一部分)，7-充电起动/停止控制电路(电压检测部的一部分)，71-LDO调节器(电压检测部的一部分)，72-电容电压检测电路(电压检测部的一部分)，721-低压检测器(第2比较电路，电压检测部的一部分)，722-高压检测器(第1比较电路，电压检测部的一部分)，723、724-基准电压源(电压检测部的一部分)，73-门极开关控制电路(电压检测部的一部分)，731-反相器(INV)电路(电压检测部的一部分)，732-NOR型RS-FF电路(保持电路，电压检测部的一部分)，8-二次电池充电控制电路(充电控制部)，81-充电控制开关(充电控制部的一部分)，82-门极开关(开关机构，充电控制部的一部分)，83-充电方式选择开关(充电控制部的一部分)，84-恒流充电控制电路(恒流充电控制机构的一部分)，85-恒压充电控制电路(恒压充电控制机构的一部分)，86-第2防倒流元件(充电控制部的一部分)，87-充电电流检测元件(恒流充电控制机构的一部分)，88-充电电压检测元件(恒压充电控制机构的一部分)，9-二次电池组(二次电池)，91-充放电保护电路(二次电池的一部分)，92-锂离子二次电池，11-主电容(电力存储部)，12-辅电容(辅助电力存储部)，13-主电容过压保护元件(电源装置的一部分)，14-辅电容过压保护元件(电源装置的一部分)，15-主电容防倒流元件(电源装置的一部分)，16-辅电容防倒流元件(电源装置的一部分)，17-充电电容选择电路(辅助电压检测部的一部分)，171-选择开关控制电路(辅助电压检测部的一部分)，172-选择开关(辅助电压检测部的一部分)，18-电容充电电压比较电路(辅助电压检测部的一部分)，19-辅电容放电控制电路(辅助电压检测部的一部分)，191-放电开关(辅助电压检测部的一部分)，192-辅电容电压检测电路(辅助电压检测部的一部分)，193-放电开关控制电路(辅助电压检测部的一部分)。
具体实施方式
本发明提供一种电源装置，检测出通过太阳能电池的发电进行充电的电双层电容器的电压，当该电压变为高电平阈值电压以上时，保持用来给二次电池充电的充电控制信号为有效模式，进行充电开始动作，之后，当该电双层电容器的电压变为低电平阈值电压时，保持该充电控制信号为无效模式，进行充电停止动作；在该充电控制信号为有效模式时，根据该电双层电容器中所储存的电力对上述二次电池进行充电。
【实施方式1】
图1为表示本发明的实施方式1的电源装置的电气构成的电路图。
本例的电源装置，如图1所示，由太阳能电池模块1、第1防倒流元件2、电流限制元件3、过压保护元件4、电双层电容器5、升压型DC-DC变换器6、充电起动/停止控制电路7、二次电池充电控制电路8以及二次电池组9构成。太阳能电池模块1，由多个太阳能电池串并联而成，将太阳的光能直接变换成电能。尤其是，本实施方式中，太阳能电池模块1，通过形成在硅半导体或化合物半导体的基板上所形成的太阳能电池单元组合而成，呈平面状，具有如图2所示的输出特性、如图3所示的输出阻抗特性以及如图4所示的温度特性。
也即，太阳能电池模块1，如图2所示，输出电流根据太阳光照射太阳能电池单元的强度而变化，尤其是日照强度越强，输出电流越大，随着日照强度的增强，输出电压趋于饱和。另外，太阳能电池模块1，如图3所示，具有与从图2所示的输出特性所导出的日照强度相关的输出阻抗特性。例如，0.8W级的太阳能电池模块的输出阻抗，即使在日照强度很强的情况下，最少也具有5Ω左右的输出阻抗，而在日照强度较弱的情况下，更是显示出了100Ω以上的输出阻抗的变动，在实用的输出电压中为数十Ω级。另外，太阳能电池模块1，如图4所示，输出电压对应于太阳能电池单元的周围温度的变化而变化，特别是在相同的日照强度的条件下，温度越高输出电压越低，另外，温度越低输出电压越高。另外，在将平面状的太阳能电池模块1固定在一个方向上并设置在地面或建筑物等上时，如图5所示，由于地球的自转导致太阳的位置发生变化，使得太阳光照射在太阳能电池单元上的强度随着时间的流逝而变化，因此，根据如图2所示的输出特性，太阳能电池模块1的发电量也随着时间的流逝而变化。
第1防倒流元件2，例如由正向电压较低的肖特基二极管等构成，在黑暗的场所或夜间等太阳能电池模块1的输出电压降低时，防止来自后段电路(电双层电容5)的反向电流对太阳能电池模块1的破坏。电流限制元件3，例如由数Ω左右的电阻等构成，在将作为太阳能电池模块1的具有非常高的发电能力的太阳能电池模块或暂时直流稳定化电源等作为电源的情况下，限制对电双层电容器5以及后段电路的冲击电流。过压保护元件4，例如由稳压二极管等构成，在太阳能电池模块1的输出电压为电双层电容器5的耐压以上的情况下，将加载在该电双层电容器5上的电压限制为给定的电压，对过压压力所导致的该电双层电容器5的ESR(等效串联电阻)的增加或体积膨胀等这样的特性恶化或元件破坏进行保护。
电双层电容器5，通过使用稀硫酸作为电解液的氢系类型，或使用有机电解液的有机系类型构成，用来降低ESR，设该ESR5b为电阻值Rx，且静电容量5a为电容值Cx，当元件面积例如为20mm×30mm左右时，具有耐压为5V左右，电阻值Rx为200mΩ以下，且电容值Cx为30mF以上的特性。通过这样，将太阳能电池模块1在实用输出电压中的数十Ω级的高输出阻抗，变换成1Ω以下的微Ω级的低阻抗，并且通过存储相当于电容值Cx与电双层电容器5的充电电压的积的电量，将太阳能电池模块1所产生的电能变换为低阻抗的电源。
升压型DC-DC变换器6，由开关调节器构成，用作给锂离子二次电池92充电的二次电池控制电路8的电源以及充电起动/停止控制电路7的LDD(Low Drop Out)调节器71的电源。为了让电双层电容器5的充电能量高效率进行放电，需要升压型DC-DC变换器6的高升压比，具体的说，按照达到输入电压3被以上的升压比的高效率，通过脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)、脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)以及它们的组合方式，或同步整流方式等进行升压动作。
充电起动/停止控制电路7，由LDO调节器71、电容电压检测电路72以及门极开关控制电路73构成。LDO调节器71是用来给电容电压检测电路72以及门极开关控制电路73提供电源的降压型电源电路。电容电压检测电路72，由低压检测器721、高压检测器722、基准电压源723以及基准电压源724构成。低压检测器721，通过基准电压源723设定阈值电压VL(低电平阈值电压)，如图6所示，在电双层电容器5的充电电压比阈值电压VL低的情况下，从输出侧(VDL输出)输出低电平信号，在高的情况下，从VDL输出输出高电平的信号。此时，阈值电压VL具有从VL-至VL+的滞后幅度。另外，高压检测器722，通过基准电压源724设定阈值电压VH(高电平阈值电压)(VL＜VH)，在电双层电容器5的充电电压比阈值电压VH低的情况下，从输出侧(VDL输出)输出低电平信号，在高的情况下，从VDH输出输出高电平信号。此时，阈值电压VH具有从VH-至VH+的滞后幅度。VDL输出与VDH输出，被传送给门极开关控制电路73。
门极开关控制电路73，由反相器(INV)电路731与NOR型RS-FF电路732构成。VDL输出信号被INV电路731所反转，将信号传送给进行触发电路动作的NOR型RS-FF电路732的端子R(复位端子)，VDH输出信号被传输给直接NOR型RS-FF电路732的端子S(复位端子)。通过该电路构成，端子R中，进行以阈值电压VL为基准的将比较动作反转之后的信号传输，具体的说，当电双层电容器5的充电电压比阈值电压VL低时，传输高电平信号，在为阈值电压VL以上时，传输低电平信号。另外，端子S中，进行以阈值电压VH为基准的比较动作所进行的信号传输，具体的说，当电双层电容器5的充电电压比阈值电压VH低时，传输低电平信号，在为阈值电压VH以上时，传输高电平信号。
NOR型RS-FF电路732，进行NOR选通型的复位、置位-触发电路动作，根据经与端子Q相连接的门极开关82的控制端子所传输的该端子Q的输出信号，进行门极开关82的接点1与接点2之间的开闭控制。这种情况下，作为初始状态，电双层电容器5的充电电压为阈值电压VL与阈值电压VH的中间电压，在接点1与接点2处于连接状态时，如果电双层电容器5的充电电压降低到阈值电压VL，则端子Q的输出信号变为低电平，如图7所示，门极开关82的接点1与接点2之间关断。接下来，门极开关82保持关断状态，开始上升电双层电容器5的充电电压，当达到阈值电压VH时，端子Q的输出信号变为高电平，接点1与接点2之间导通，门极开关82保持导通状态，再次开始降低电双层电容器5的充电电压，当达到阈值电压VL时，接点1与接点2之间再次关断，门极开关82保持关断状态，直到电压再次上升到阈值电压VH。这样，通过两种阈值电压来对电双层电容器5的充电电压进行控制，进行门极开关82的导通状态以及关断状态的保持动作。
二次电池充电控制电路8，由充电控制开关81、门极开关82、充电方式选择开关83、恒流充电控制电路(CC，Constant Current)84、恒压充电控制电路(CV，Constant Voltage)85、第2防倒流元件86充电电流检测元件87以及充电电压检测元件88构成。充电控制开关81，由pMOS(p沟道型MOS晶体管)构成。门极开关82，具有与NOR型RS-FF电路732的端子Q相连接的控制端子，以及与充电控制开关81的门极相连接的接点1，以及与充电方式选择开关83相连接的接点2。充电方式选择开关83，具有与门极开关82的接点2相连接的接点z、与恒流充电控制电路(CC)84相连接的接点x以及与恒压充电控制电路(CV)85相连接的接点y。另外，充电方式选择开关83，具有在充电电压小于给定值时，将接点z与接点x连接起来，在充电电压为给定值以上时，将接点z与接点y连接起来的图中未显示的充电电压检测机构。
恒流充电控制电路(CC)84，对充电控制开关81的门极的电平进行控制，以使得充电电流检测元件87所检测出来的充电电流为给定的恒流。恒压充电控制电路(CV)85，对充电控制开关81的门极的电平进行控制，以使得充电电压检测元件88所检测出来的充电电压为给定的恒压。第2防倒流元件86，例如由顺向电压较低的肖特基二极管等构成，防止来自二次电池组9的反向电流对充电控制开关81的破坏。充电电流检测元件87由电阻等构成，对充电电流进行检测。充电电压检测元件88，由串联的电阻88a、88b构成，通过该电阻88a、88b对充电电压进行分压并检测。
门极开关82让接点1与接点2之间处于关断或导通状态中的任一个，充电方式选择开关83，让接点z作为普通接点与接点x或接点y处于常时导通状态，因此，二次电池充电控制电路8，根据该门极开关82以及该充电方式选择开关83的各个开关的状态，而变为3种动作状态。也即，作为第1开关动作，门极开关82的接点1与接点2为关断状态时，充电控制开关81的栅极与源极之间变为相同的电位，因此，源·漏极之间变为关断状态，二次电池组9不进行充电。
另外，作为第2开关动作，门极开关82的接点1与接点2为导通状态，且充电方式选择开关83的接点z与接点x之间为导通状态时，充电控制开关81的栅极与恒流充电控制电路(CC)84相连接，以预先所设置的恒流对二次电池组9进行充电，让充电电流检测元件87中流有一定的电流。另外，作为第3开关动作，门极开关82的接点1与接点2为导通状态，且充电方式选择开关83的接点z与接点y之间为导通状态时，充电控制开关81的栅极与恒压充电控制电路(CV)85相连接，以预先所设置的恒压对二次电池组9进行充电，让充电电压检测元件88中产生一定的电压。
二次电池组9由充放电保护电路91与锂离子二次电池92构成。充放电保护电路91，对来自二次电池充电控制电路8的过充电、对负载提供过剩的电力所引起的过放电，以及负载短路或控制电路92的短路等所引起的过流进行保护，通过切断锂离子二次电池92的正极端的连接，将该锂离子二次电池92与二次电池充电控制电路8以及负载分离开进行保护。
图8为表示图1的电源装置中的锂离子二次电池92的充电时的动作的时序图，图9为表示锂离子二次电池92的充电特性的图，图10为表示电双层电容器5的充电特性的图。
对照这些图，对本例的电源装置中所使用的控制方法进行说明。
太阳光照射到太阳能电池模块1上之后，通过基于例如图2所示的对应于日照强度的输出特性的该太阳能电池模块1的发电动作，经第1防倒流元件2以及电流限制元件3开始给电双层电容器5蓄电。如图8所示，当电双层电容器5的充电电压Vedlc为阈值电压VL时，由于门极开关82的接点处于关断状态，因此，由于给锂离子二次电池92的充电动作停止，因此，比电双层电容器5更后级的电路，除了充电起动/停止控制电路7的待机消耗功率之外，就处于无负荷状态，因此，该电双层电容器5变为充电模式，充电电压Vedlc从阈值电压VL上升到阈值电压VH。此时，通过如图7所示的保持动作，保持门极开关82的关断状态。
在时刻t1，当电双层电容器5的充电电压Vedlc达到阈值电压VH之后，通过充电起动/停止控制电路7的电容电压检测电路72，使得低压检测器721的输出侧变为高电平，且高压检测器722的输出侧变为高电平，因此，通过如图6以及图7所示的控制动作，使得门极开关控制电路73的输出变为高电平，门极开关82的接点1、2变为导通状态。通过这样，开始对锂离子二次电池92的充电动作。
此时，根据锂离子二次电池92的充电电压，通过充电方式选择开关83的图中未显示的充电电压检测机构，来选择恒流或恒压充电模式。例如，在充电模式为恒流充电模式的情况下，充电方式选择开关83，将接点z与接点x相连接，通过预先设定的电流值Icc来给锂离子二次电池92充电。此时，由于锂离子二次电池92的充电电流Ichg是太阳能电池模块1的输出阻抗中所无法供给的大电流值，因此，电双层电容器5变为放电模式，在放电时间段Ton1，该电双层电容器5的充电电压Vedlc从阈值电压VH降低到阈值电压VL。此时，通过图7所示的保持动作来保持门极开关82的导通状态。
在时刻t2，当电双层电容器5的充电电压Vedlc再次达到阈值电压VL之后，通过充电起动/停止控制电路7的电容电压检测电路72，使得低压检测器721的输出侧变为低电平，且高压检测器722的输出侧变为低电平，因此，通过如图6以及图7所示的控制动作，使得门极开关控制电路73的输出变为低电平，门极开关82变为导通关断状态。通过这样，停止对锂离子二次电池92的充电动作，比电双层电容器5更后级的电路，除了充电起动/停止控制电路7的待机消耗功率之外，就处于无负荷状态，因此，该电双层电容器5再次变为充电模式，充电电压Vedlc从阈值电压VL上升到阈值电压VH。此时，通过如图7所示的保持动作，保持门极开关82的关断状态。
通过反复进行以上动作，锂离子二次电池92被周期充电。当锂离子二次电池92接近满充电，当到达预先所决定的充电电压之后，通过充电方式选择开关83的图中未显示的充电电压检测机构来选择恒压充电模式。此时，充电方式选择开关83，将接点z与接点y相连接，通过预先设定的电压值来给锂离子二次电池92充电，因此，该锂离子二次电池92的充电电流Ichg，在时刻t3变为比设定的电流值Icc小的值(例如Icv)，在到时刻T4为止的放电时间段Ton2，电双层电容器5放电，该放电时间段Ton2比放电时间段Ton1长。
通过给锂离子二次电池92周期充电，如图9所示，初始电压3V左右的几乎没有充电容量的1单元的锂离子二次电池92，最初通过恒流模式周期充电，该锂离子二次电池92的电压徐徐上升，当达到预先所设定的电压值(例如4.2V)之后，便通过恒压模式来周期充电。之后，在恒流模式中的锂离子二次电池92的电压，与周期的充电动作同步，通过该锂离子二次电池92的内部阻抗使得电压上升，另外，恒压模式时的周期充电电流，随着锂离子二次电池92接近满充电，由于电双层电容器5的放电时间的长期化而使得通电时间加长。
由于太阳能电池模块1显示出如图2所示的输出特性，因此，电双层电容器5，如图10所示，在日照强度很强时(例如时间T3)中，充电电压Vedlc显示出急剧上升，在日照强度很弱时(例如时间T1、T5)中，充电电压Vedlc的上升趋缓，另外，在夜间等没有日照时(例如时间T2、T4)，即使处于无负荷状态，由于该电双层电容器5的泄漏电流或充电起动/停止控制电路7的待机消耗功率，充电电压Vedlc缓慢下降。像这样经过了充电电压Vedlc的上升或下降之后，在时刻tn达到阈值电压VH之后，开始对锂离子二次电池92充电，该充电电压Vedl急剧下降。这种情况下，设定太阳能电池模块1的最大输出动作电压或关断电压，作为用来开始对锂离子二次电池92进行充电的阈值电压VH之后，实际上，由于天气变化或充电起动/停止控制电路7的待机消耗功率等原因，充电电压Vedlc达到阈值电压VH的频度变少，太阳能电池模块1所产生的电能，长时间保持只给电双层电容器5充电的状态，其结果是，给锂离子二次电池92的充电动作的周期变长，能源的传送没有效率。因此，用来让电双层电容器5的充电能量逐次向锂离子二次电池92进行能量传送的电压阈值VH、VL的最佳设定，以及电双层电容器5的ESR5b(Rx)与静电容5a(Cx)的最佳设定，提高了充电效率。
另外，如图5所示，由于1天中的发电量的时间推移与日照条件共同变化，因此，用来让1天中的锂离子二次电池92的充电动作的占有时间增长的阈值电压VH的最佳设定，以及电双层电容器5的ESR5b(Rx)与静电容5a(Cx)的最佳设定，提高了充电效率。另外，用来让锂离子二次电池92的充电停止的阈值电压VL，为了多取出电双层电容器5的充电能量，将其设置为尽可能低的电压值，通过这样，有助于提高充电效率。
通过这样，为了对应于天气的变换或太阳能电池模块1的设置方法所引起的日照条件的变动，高效地对锂离子二次电池92进行充电，通过将比太阳能电池模块1的最大输出动作电压低的电压值，设为开始对该锂离子二次电池92的充电动作的阈值电压VH，即使在比较弱的日照条件下，或太阳能电池模块1的输出电压较低的高温环境下，也能够开始充电动作。具体的说，阈值电压VH的设定，是太阳能电池模块1的最大输出动作电压的90％以下。另外，通过将停止对锂离子二次电池92的充电动作的阈值电压VL，设定为升压型DC-DC变换器6的输入电压的下限值，能够更多地去除电双层电容器5的充电能量。具体的说，VL设定在2V以下。另外，为了提高对锂离子二次电池92的1天中的充电动作的效率，进行在时刻变化的恶劣天气下的充电、刚刚日出之后的充电以及直到日落之前的充电，通过让充电周期是比日照强度的变化短的周期，具体的说，通过使其在数秒到数分钟之间，即使在激烈变化的日照条件下，也能够对锂离子二次电池92进行充电动作。
例如，通过让以下的条件设定适用于式(1)至式(5)，来试算本实施方式中的代表性的充电周期。
条件：
电双层电容器5的RSR5b：Rx＝100(mΩ)
电双层电容器5的静电容5a：Cx＝40(mF)
充电开始阈值电压：VH＝5(V)
充电停止阈值电压：VL＝2(V)
锂离子二次电池92的充电电流：恒流(CC)模式Icc＝0.1(A)
太阳能电池模块1的发电电流Ip＝0.05(A)
[ESR损耗]
Loss＝0.1(A)×0.1(Q)＝0.01V  ...(1)
[电双层电容器5的充电期间]
Toff
＝0.04(F)×|2(V)+0.01(V)-5(V)|/0.05(A)
＝0.24(sec)  ...(2)
[电双层电容器5的放电期间(＝锂离子二次电池92的充电期间)]
Ton
＝0.04(F)×|5(V)+0.01(V)-2(V)|/0.1(A)
＝0.12(sec)  ...(3)
[充电周期]
T＝Ton+Toff＝1.2+2.4＝3.6(sec)  ...(4)
[充电能率]
D＝Ton/T＝1.2/3.6＝33％。
根据上述式(1)至式(5)的计算结果，电双层电容器5如果ESR5b使用100mΩ，静电容5a使用5mF，则使用发电电流Ip为0.05A的太阳能电池模块1的情况下，充电周期约为3.6秒。此时，锂离子二次电池92的充电占空比约为33％。
另外，太阳能电池模块1与电双层电容器5并联，设想该太阳能电池模块1的阻抗为10Ω以上，因为与电双层电容器5的ESR5b比较为100倍以上，因此，该太阳能电池模块1的输出为1％以下，几乎可以忽视，因此，电双层电容器5的放电期间的计算中，将太阳能电池模块1的等价为没有而进行计算。
如上所述，该实施方式1中，充电起动/停止控制电路7，检测出电双层电容器5的电压，在该电压为阈值电压VH以上时，保持用来给二次电池组9充电的充电控制信号(端子Q的输出信号)为有效模式(高电平)，进行充电开始动作，此后，当该电双层电容器5的电压为阈值电压VL时，保持该充电控制信号为无效模式(低电平)，进行充电停止动作，二次电池充电控制电路8，在该充电控制信号为有效模式时，以该电双层电容器5中所储存的电对该二次电池组9进行充电，因此，即使在日照强度的变化或周围温度的变化使得太阳能电池所产生的电变动的情况下，也能够让该二次电池组9稳定进行充电。另外，由于电容电压检测电路72不需要接近太阳能电池模块1，因此，不会受到该太阳能电池模块1的周围温度的影响，能够通过产生高精度的阈值电压VH以及阈值电压VL，来高精度地检测出电压。另外，当二次电池组9的电压小于给定的阈值时，恒流充电控制电路84通过给定的恒流对该二次电池组9进行充电，当该二次电池组9的电压达到该给定的阈值以上时，恒压充电控制电路85以给定的恒压对该二次电池组9进行充电，因此，能够不受该二次电池组9以及线路的阻抗的影响，高效地对该二次电池组9进行充电。
【实施方式2】
图11为表示本发明的实施方式2的电压装置的电气构成的电路图，与实施方式1中所示的图1中的要素共同的要素，被标上了相同的符号。
本例的电源装置中，图1中的二次电池组9的后级设有输出变换器10。输出变换器10，由DC-DC变换器101和DC-DC变换器102构成。DC-DC变换器101与DC-DC变换器102的输入端，共同与二次电池组9的正极相连接。DC-DC变换器101的输出A与负载L1相连接，DC-DC变换器102的输出B与负载L2相连接。其他构成与图1相同。
该电源装置中，与实施方式1相同，将太阳能电池模块1通过太阳光所产生的电能，作为电双层电容器5的充电能量储存起来，周期的进行锂离子二次电池92的充电。这样，将离子二次电池92的充电电压作为电源，从DC-DC变换器101、102分别给负载L1、L2提供稳定的电源。
【实施方式3】
图12为表示本发明的实施方式3的电压装置的电气构成的电路图，与实施方式1中所示的图1中的要素共同的要素，被标上了相同的符号。
本例的电源装置，由太阳能电池模块1、第1防倒流元件2、电流限制元件3、升压型DC-DC变换器6、充电起动/停止控制电路7、二次电池充电控制电路8、二次电池组9、主电容11、辅电容12、主电容过压保护元件13、辅电容过压保护元件14、主电容防倒流元件15、辅电容防倒流元件16、充电电容选择电路17、电容充电电压比较电路18以及辅电容放电控制电路19构成。主电容11由ESR11b与静电容11a构成，辅电容12由ESR12b与静电容12a构成。主电容11以及辅电容12，通过使用稀硫酸作为电解液的氢系类型，或使用有机电解液的有机系类型，构成为低ESR的电双层电容器，将太阳能电池模块1的数十Ω级的高输出阻抗，变换成1Ω以下的微Ω级的低阻抗，并且通过存储相当于静电容与电双层电容器5的充电电压之积的电量，将太阳能电池模块1所产生的电能变换为低阻抗的电源。
充电电容选择电路17，由选择开关控制电路171与选择开关172构成。选择开关控制电路171，根据选择开关控制信号w(门极开关控制电路73的输出)对选择开关172进行控制。选择开关172具有接点c、接点a以及接点b。电容充电电压比较电路18，由比较主电容11的电压与辅电容12的电压，输出开关控制信号VCMP的比较器(CMP)构成。
辅电容放电控制电路19，由放电开关191、辅电容电压检测电路192以及放电开关控制电路193构成。放电开关191具有控制端子、接点3以及接点4。辅电容电压检测电路192，具有将辅电容12的电压与基准电压源194的阈值电压VS进行比较，输出开关控制信号VDS的Vsub检测器。该Vsub检测器，具有滞后特性。放电开关控制电路193，根据开关控制信号VDS或开关控制信号VCMP，对放电开关191进行控制。
图13为表示图12的电源装置中的锂离子二次电池92的充电时的动作的时序图。
对照该图，对本例的电源装置中所使用的控制方法进行说明。
作为初始条件，在构成充电电容选择开关17的选择开关172的接点c与接点a相连接的情况下，当太阳光照射到太阳能电池模块1上之后，通过对应于日照强度的基于如图2所示的输出特性的该太阳能电池模块1的发电动作，经第1防倒流元件2以及电流限制元件3开始给主电容11蓄电。
如图13所示，当主电容11的充电电压Vmain为阈值电压VL时，由于门极开关82的接点处于关断状态，因此，由于对锂离子二次电池92的充电动作停止，因此，主电容11的后级，除了充电起动/停止控制电路7的待机消耗功率之外，就处于无负荷状态，因此，该主电容11变为充电模式，充电电压Vmain从阈值电压VL上升到阈值电压VH。这期间，通过图7所示的保持动作，保持门极开关82的关断状态。此时，辅助电容器12的充电电压Vsub由于辅电容放电控制电路19的放电开关191处于关断状态，因此，由于该辅电容12的付随控制电路(电容充电电压比较电路18以及辅电容放电控制电路19)的待机消耗功率，从而显示出从初始充电电压值开始电压徐徐下降的波形。
在时刻t1，当主电容11的充电电压Vmain达到阈值电压VH之后，通过充电起动/停止控制电路7的电容电压检测电路72，使得低压检测器721的输出侧变为高电平，且高压检测器722的输出侧变为高电平，因此，通过如图6以及图7所示的控制动作，使得门极开关控制电路73的输出变为高电平，门极开关82变为导通状态。通过这样，开始对锂离子二次电池92的充电动作。这种情况下，与实施方式1一样，根据锂离子二次电池92的充电电压，选择恒流或恒压充电模式。例如，在充电模式为恒流充电模式的情况下，充电方式选择开关83，将接点z与接点x相连接，通过预先设定的电流值Icc来给锂离子二次电池92充电。此时，由于锂离子二次电池92的充电电流Ichg是太阳能电池模块1的输出阻抗中所无法供给的大电流值，因此，主电容11变为放电模式，充电电压Vmain从阈值电压VH降低到阈值电压VL。此时，通过图7所示的保持动作来保持门极开关82的导通状态。
开始对锂离子二次电池92的充电动作之后，通过来自充电起动/停止控制电路7的输出侧的选择开关控制信号w，充电电容选择电路17的选择开关控制电路171进行控制，让选择开关172的接点c与接点b相连接，辅电容12开始充电，充电电压Vsub开始上升。在对锂离子二次电池92的充电动作的期间中一直保持该接点状态。
在时刻t2，当主电容11的充电电压Vmain再次达到阈值电压VL之后，通过充电起动/停止控制电路7的电容电压检测电路72，使得低压检测器721的输出侧变为低电平，且高压检测器722的输出侧变为低电平，因此，通过如图6以及图7所示的控制动作，使得门极开关控制电路73的输出变为低电平，门极开关82变为关断状态。通过这样，停止对锂离子二次电池92的充电动作。于是，通过来自充电起动/停止控制电路7的输出侧的选择开关控制信号w，充电电容选择电路17的选择开关控制电路171进行控制，让选择开关172的接点c与接点a相连接，通过这样，主电容11开始充电，充电电压Vmain开始上升。此时，由于辅电容放电控制电路19的放电开关191处于关断状态，因此，由于该辅电容12的付随电容充电电压比较电路18以及辅电容放电控制电路19的待机消耗功率，从而使得辅电容12的充电电压Vsub，显示出从初始充电电压值开始电压徐徐下降的波形。
在时刻t3，当主电容11的充电电压Vmain再次达到阈值电压VH之后，通过充电起动/停止控制电路7的电容电压检测电路72，使得低压检测器721的输出侧变为高电平，且高压检测器722的输出侧变为高电平，因此，通过如图6以及图7所示的控制动作，使得门极开关控制电路73的输出变为高电平，门极开关82变为导通状态。通过这样，开始对锂离子二次电池92的充电动作。此时，根据锂离子二次电池92的充电电压，选择恒流或恒压充电模式。例如，在充电模式为恒流充电模式的情况下，充电方式选择开关83，将接点z与接点x相连接，通过预先设定的电流值Icc来给锂离子二次电池92充电。此时，由于锂离子二次电池92的充电电流Ichg是太阳能电池模块1的输出阻抗中所无法供给的大电流值，因此，主电容11变为放电模式，充电电压Vmain从阈值电压VH降低到阈值电压VL。此时，通过图7所示的保持动作来保持门极开关82的导通状态。
再次开始对锂离子二次电池92的充电动作之后，通过来自充电起动/停止控制电路7的输出侧的选择开关控制信号w，充电电容选择电路17的选择开关控制电路171进行控制，让选择开关172的接点c与接点b相连接，通过接点c与接点b相连接，辅电容12开始充电，充电电压Vsub开始上升。在时刻t4，当充电电压Vsub达到比阈值电压VH还高的预先决定的阈值电压VS时，构成辅电容放电控制电路19的辅电容电压检测电路192，向放电开关控制电路193发送开关控制信号VDS，让放电开关191变为导通状态。通过这样，代替主电容11的电压，向充电起动/停止控制电路7提供辅电容12的电压。因此，锂离子二次电池92，停止来自主电容11的充电动作，接着开始来自辅电容12的充电动作。此时，虽然变为主电容11的充电电压比辅电容12的充电电压低的状态，但通过主电容防倒流元件15，使得辅电容12的放电电流不会流入主电容11，对锂离子二次电池92进行充电。
通过主电容11的充电电压Vmain由于太阳能电池模块1的发电而上升，以及辅电容12的充电电压Vsub由于对锂离子二次电池92的充电而下降，在时刻t5，上述充电电压Vmain与Vsub达到电压平衡的电压值Vx之后，电容充电电压比较电路18向放电开关控制电路193发送开关控制信号VCMP，放电开关191置为关断状态。通过辅电容12的充电电压Vsub从VS向Vx的下降的放电动作，开始对锂离子二次电池92充电，使得期间Tsub中的辅助充电成为可能。因此，锂离子二次电池92能够更加高效地进行充电。
通过反复进行以上动作，锂离子二次电池92，被主电容11的放电周期与辅电容12的放电周期这两个周期，进行周期充电。当锂离子二次电池92接近满充电，到达预先所决定的充电电压之后，选择恒压充电模式。此时，充电方式选择开关83，将接点z与接点y相连接，通过预先设定的电压值来给锂离子二次电池92充电，因此，充电电流变为比Icc小的值，主电容11与辅电容12的放电周期加长。
如上所述，该实施方式3中，通过辅电容12的充电电压Vsub从VS向Vx的下降的放电动作，对锂离子二次电池92进行充电，使得期间Tsub中的辅助充电成为可能，锂离子二次电池92能够比实施方式1更加高效地进行充电。
以上对照附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但具体的构成并不仅限于上述实施方式，在不脱离本发明的构思的范围内的涉及的变更等待，也包括在本发明中。
例如，充电起动/停止控制电路7的电路构成还可以是其他构成，只要具有相同的功能就可以。另外，充电控制开关81，除了pMOS之外，还可以通过双极性晶体管或继电器等构成，并附加各自对应的驱动电路。
产业应用
本发明的电源装置，能够通过半永久供给的太阳能，对信息站点机器等中所使用的锂离子二次电池等二次电池进行充电，因此，即使在电力设施(infrastructure)不完备的场所或地区，也能够让信息站点机器进行工作。因此，能够适用于无线网络系统、普适计算终端、无人监视系统等的电源。

Claims (7)

1.一种电源装置，是具有太阳能电池，与存储由该太阳能电池的发电所充电的电力的电力存储部，以及由该电力存储部中所储存的电力进行充电的二次电池，其特征在于，设有：
电压检测部，其检测出上述电力存储部的电压，当该电压变为高电平阈值电压以上时，保持用来给上述二次电池充电的充电控制信号为有效模式，进行充电开始动作，之后，当上述电力存储部的电压变为低电平阈值电压时，保持上述充电控制信号为无效模式，进行充电停止动作；以及
充电控制部，其在上述充电控制信号为有效模式时，依据上述电力存储部中所储存的电力对上述二次电池进行充电。
2.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
上述电压检测部具有：
将上述电力存储部的电压与上述高电平阈值电压进行比较，输出第1比较结果的第1比较电路；以及
将上述电力存储部的电压与上述低电平阈值电压进行比较，输出第2比较结果的第2比较电路；以及
根据上述第1比较结果或上述第2比较结果，将上述充电控制信号保持为上述有效模式或无效模式的保持电路。
3.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
上述充电控制部具有：
开关机构，其在上述充电控制信号为上述有效模式时，变为导通状态，根据上述电力存储部中所储存的电力对上述二次电池进行充电；以及
恒流充电控制机构，其在上述二次电池的电压比给定的阈值小时，以给定的恒流对上述二次电池进行充电；以及
恒压充电控制机构，其在上述二次电池的电压变为上述给定的阈值以上时，以给定的恒压对上述二次电池进行充电。
4.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
上述电力存储部由电双层电容器构成，
该电双层电容器被设定为，其内部阻抗比上述太阳能电池的内部阻抗低。
5.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于，附加有：
辅助电力存储部；以及
辅助电压检测部，其进行检测，在上述充电控制信号为上述有效模式时，通过上述太阳能电池的发电对上述辅助电力存储部进行充电，在该辅助电压存储部的电压变得比上述高电平阈值电压高时，代替上述电力存储部的电压，向上述电压检测部供给上述辅助电压存储部的电压。
6.如权利要求5所述的电源装置，其特征在于：
上述电力存储部由电双层电容器构成，
该电双层电容器被设定为，其内部阻抗比上述太阳能电池的内部阻抗低。
7.一种控制方法，其用于具有太阳能电池，与存储由该太阳能电池的发电所充电的电力的电力存储部，以及由该电力存储部中所储存的电力进行充电的二次电池的电源装置，其特征在于：
检测出上述电力存储部的电压，当该电压变为高电平阈值电压以上时，保持用来给上述二次电池充电的充电控制信号为有效模式，进行充电开始动作，之后，当上述电力存储部的电压变为低电平阈值电压时，保持上述充电控制信号为无效模式，进行充电停止动作；在上述充电控制信号为有效模式时，根据上述电力存储部中所储存的电力对上述二次电池进行充电。
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